不同冷却屋顶对城市街区热环境的影响模拟

金玉芝 王咏薇 程迪

1 南京信息工程大学耶鲁—南京信息工程大学大气环境中心，南京 210044

2 南京信息工程大学大气物理学院，南京 210044

1 引言

近年全球城市化进程一直呈上升趋势，尤其是亚非地区，预计到2050年全球将有66%的人口居住在城市（United Nations, Department of Economic and Social Affairs, 2012），迅速的城市化导致城市的温度比农村更高（任国玉等, 2005; Santamouris et al., 2018）。严重的城市热岛现象加上类似高温热浪的极端天气事件高发，使得天气酷热，引发各种次生灾害影响人们正常生活（寿亦萱和张大林,2012; 周梦子等, 2017, 孙永等, 2019），同时也对建筑能源消耗及室内外热舒适条件产生重大影响（彭少麟等, 2005; Sakka et al., 2012; Gunawardena et al.,2017; 王咏薇等, 2018）。有研究表明，夏季气温每升高一度，电量需求峰值就会增加0.45%～4.6%（Santamouris, 2015）。

为了尽可能地降低城市环境的高温以及热岛对能源消耗产生的巨大影响，科学家们已经开展了一系列研究（谈建国和黄家鑫, 2004; Santamouris et al., 2011; Synnefa et al., 2012; Akbari et al., 2016）。研究表明在现有城市的基础上采取一些改造措施，如：在城市深色的表面使用高反射率材料（Doulos et al., 2004; Cheng et al., 2005; 王豫等, 2019）；在屋 顶 铺 设 环 保 的 太 阳 能 板 （ Akbari et al., 2005;Masson et al., 2014; Salamanca et al., 2016）；或种植绿色植被（Sharma et al., 2016; 周晓宇等, 2019），均有助于减少大气释放的感热，减缓城市热岛并能有效节约冷却能源需求（Santamouris, 2014），但绿色植被屋顶需要定期维护，成本较高（Sun et al.,2016），一般情况下可实施性较低，因此相较而言高反照率屋顶和太阳能屋顶较易于实现。还有不少学者近年来致力研发新型冷却屋顶材料，如Zhai et al.（2017）研发了一种新型日间可利用辐射制冷的随机玻璃—聚合物混合超材料（膜材料）。理论上可在没有制冷剂和没有电力的条件下实现24 h为建筑降温（Zhai et al., 2017），但实际该材料的降温特性具体如何尚未可知。相较高反照率屋顶，太阳能屋顶尽管反射率低，但可以通过转化太阳能来减少建筑能源消耗，且寿命较长适合长期安装（Hu et al., 2016）。

数值模式可以再现当时城市及建筑物的热环境，并能够对不同屋顶的节能及经济效益进行初始的评估（Takebayashi and Moriyama, 2007）。当前采用数值模拟进行冷却屋顶对于热岛缓解效应的研究已有所开展（Zhang et al., 2017; 郭良辰等, 2018）。已有的数值研究充分表明，对于美国、欧洲等国家，应用冷却屋顶后，屋顶温度有非常显著的降低（Oleson et al., 2010），对缓解高温热浪有一定的作用（Akbari, 2003; Synnefa et al., 2012），并可能对未来的气候变化有一定程度的影响（Lu et al.,2013），同时也对于城市能源需求有一定程度的缓解 。 例 如 Salamanca et al.（ 2016） 采 用 WRFBEP+BEM方案，模拟了2009年7月10～19日在美国菲尼克斯和亚利桑那州部署的太阳能屋顶，结果显示2 m气温降低了0.8°C，并且减少了13%～14%电力能源需求。但相较建筑物无法分辨尺度的数值模式运用的城市冠层模式，有不同的学者基于不同的考虑搭建了单层（Masson, 2000; Kusaka et al., 2001; 霍飞和陈海山, 2011）、多层（Martilli,2002; 王咏薇和蒋维楣, 2009; 张蕾等, 2018）以及考虑室内外能量交换的冠层模型（Salamanca et al.,2010）。其中Masson（2000）发展的城镇能量平衡模型（Town Energy Balance, TEB）是一个全面模拟城市街渠单元辐射热量平衡的模型。何晓凤等（2009）利用单层冠层模式TEB对南京典型居民区进行离线模拟，结果表明改变建筑物反照率对城市气候改善有重大影响。TEB在近年不断增加新的模块，如改善街道峡谷内气象场的模拟（Hamdi and Masson, 2008）；增加了建筑能源模块（BEM）（Bueno et al., 2012），包括空调系统及通风状况；加入了道路的方向以及城市建筑物间有绿植的情形（Lemonsu et al., 2012）使得模拟场景更接近实际。当前为了更好地研究城市气象中的热点问题，模型中增加了空调制冷能耗（De Munck et al., 2013）及太阳能屋顶产生电量模块的计算（Masson et al.,2013），为本文研究提供良好的工具。

中国是亚非地区城市发展最快的发展中国家之一 （ United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division, 2014），城镇化率已超过50%（李浩, 2013），在一些超大城市例如北京、上海等，高温热浪已经给人群带来严重威胁（谢志清等, 2015; 张明顺和王义臣, 2015; 何苗等, 2017）。于是缓解城市热岛效应，减少城市能耗显得尤为重要。使用何种冷却材料去增加城市表面反照率一直以来也都是该领域的重要研究问题，而目前中国开展研究高反照率冷却屋顶材料热辐射性能的研究以及对更新的具有优秀降温效果的环保材料，例如太阳能板、超材料等，研究尚少。此外，冷却屋顶对于能耗以及相应对经济产生的影响也有待研究。

基于以上的研究背景，本文选择覆盖面积分别为100%和50%的两种太阳能板和3种高反射率冷却屋顶膜材料——铝箔沥青膜、白色TPO膜及新研发的超材料，基于METEO-FRANCE/CNRS发布的最新版本TEBv2.4406，评估夏季高温热浪期间不同冷却屋顶材料的铺设降温效应和热环境的影响以及各材料节能状况和太阳能板发电状况，拟为城市规划及实际施工提供理论支撑。

2 模式及资料

2.1 天气背景及观测数据

根据中国气象数据网的南京历史气温数据，2017年7月南京有连续两周的高温热浪天气（每日最高气温超过 35°C）（贾佳和胡泽勇, 2017），7月23日最高气温达到41°C，天气状况均为晴朗。因此，本文选择这段时间开展研究。

本文所用模式驱动及检验数据为江苏省南京市南京信息工程大学一六层教学楼北区楼顶（32.206°N，118.716°E）进行的观测实验所得数据。观测总时长为2017年4月1日至8月15日、2018年1月23日至2019年4月27日、2019年6月18日至2020年1月8日、2020年2月19日至今。约1～2周进行一次数据采集工作，并进行擦拭镜头、设置仪器时间同步等维护工作。本文用于检验的数据为2017年7月16日00:00（北京时间，下同）至2017年7月30日00:00。观测期间，天气晴好，数据缺测率为0，数据质量较好。

建筑物周围道路纵横，人为下垫面占地面积90%左右并有一定绿植。学校周围并无高大建筑物环绕，是典型的城郊结合部用地类型。如图1，观测场地是典型的深灰色混凝土屋顶，实验区域均为 30 m2的矩形区域，仪器为荷兰 Kipp & Zonen四分量辐射仪（CNR4）。可获得楼顶向上发射的长波EULR（单位：W m−2），天空向下反射的长波，下垫面向上反射的太阳短波EUR（单位：W m−2），太阳发射的向下短波EDR（单位：W m−2）4个分量数据。为了尽量减少来自非测试表面的光污染以及令仪器检测范围尽可能缩小在所选定的样本区域内，将四分量辐射仪设置为距离样本高65 cm。另外还在文德北区楼顶东北角的位置架设了小气候观测仪，得到楼顶气温、湿度、风速等气象要素30 min数据。

2.2 城镇能量平衡模型（TEB）简介及模拟算例

2.2.1 模型及方案简介

本文使用城镇能量平衡模型TEBV2.4406版本（Masson, 2000）。该城镇能量平衡模型基于单层城市建筑物结构的假设，考虑了街道峡谷几何形状对短波和长波辐射的影响，并为每个表面（道路、墙壁、屋顶）建立单独的能源预算，以得到峡谷和屋顶占据面积分数及冠层顶部的热量、动量和质量交换的函数（Pigeon et al., 2008）。基于该城镇能量平衡模型TEB已经针对温哥华和密集城区的轻工业区，墨西哥城（Masson et al.,2002）， 马赛 等地 （Lemonsu et al., 2004; Roberts et al., 2006）的现场数据进行了评估，均表明TEB模型能够很好地再现城市表面和大气之间热量和动量的交换。

图1 （a）观测场地俯瞰图；（b）普通水泥屋顶观测项目；（c）白色tpo膜观测项目；（d）铝箔沥青膜观测项目Fig. 1 (a) An aerial view of the observation site; (b) the ordinary cement roof observation project; (c) the observation project of a white TPO membrane; (d) the observation project of the aluminum foil and asphalt-based (SBS) membrane

Bueno et al.（2012）为 TEB 增加了建筑能源模块（BEM），包括了空调系统的能耗计算。假定模拟区域具有均匀的城市形态，每个建筑有相同的室内温湿度且太阳辐射及辐射导致的热量增益可被建筑物很好地吸收并释放到室内环境中。BEM利用热平衡去计算建筑能源需求，涉及了室内各个表面的热传导，对流及辐射热等：

其中，Qcd为传导项，Qcv为对流项，取决于内表面和室内温度；si为墙壁、窗户、地板、屋顶和内部质量；Qrd为辐射项，均由标准传热系数公式

算出（其中，h为对流传热系数，ΔT为内表面和室内温度差）。根据空调系统制冷和制热模式中目标温度预设值计算出空调需要将多余的室内热量“搬运”出室外所需要的电量，即冷却能源需求：

在TEB模式中，为了研究新能源的使用对于建筑物能耗的影响，Masson et al.（2014）在 TEB中引入了太阳能光伏板的计算。方案中设置太阳能板与屋顶有一定的倾角，太阳能板接收以及发射的能量如图2所示。

太阳能光伏板的能量平衡方程（Masson et al.,2014）如下：

等式左侧是太阳能电池板的输入能量，EDR是来自太阳的入射短波辐射（单位：W/m2）；EDLR是从大气中传入的长波辐射（单位：W/m2），两者均为TEB的输入数据。是从屋顶上升并被太阳能电池板拦截的长波辐射等式右侧是太阳能光伏板的输出能量。是太阳能电池板反射的太阳辐射（单位：W/m2）；是由太阳能电池板发射（并反射）到天空的长波辐射（单位：W/m2）；是由太阳能电池板发射到屋顶（向下）的长波辐射（单位：W/m2）；是面板产生的能量（单位：J），它取决于太阳能光伏板的特性、辐照度和倾斜度，并给室内的空调系统提供电量；H是从太阳能电池板到大气的显热通量（单位：W/m2）。因此在建筑物屋顶铺设太阳能光伏板改变了与大气接触的城市表面的能量平衡，改变了屋顶所接收的辐射，从而改变了建筑物的能量平衡。而TEB中加入的太阳能光伏板方案参数取决于不断变化的气象条件，可以相对精确地模拟太阳能板能量变化。

2.2.2 输入输出变量

TEB模型计算了一个城市街区单元内所接收到的以及释放出的能量平衡过程，驱动模式所需要的输入量参见表1。其中辐射变量数据来自于南京信息工程大学文德楼楼顶架设的四分量辐射仪；CO2浓度变量设置为空气中CO2浓度常数；降雨量与降雪量在模拟期间为0；其余气象数据来自于文德楼顶架设的小气候观测仪。模式输出的变量主要为城市街区总体向上的能量平衡分量、街区内的气象状况、建筑物不同表面的温度以及空调能耗的相关变量（参见表1）。

表1 TEB模式相关变量Table 1 The Relevant variables of TEB

图2 太阳能光伏板的能量平衡及其对屋顶接收辐射影响的示意图（Masson et al., 2014）Fig. 2 Schematic diagram of the energy balance of a solar photovoltaic panel and its effect on the roof’s received radiation (Masson et al., 2014)

2.2.3 本文算例及参数设置

本文采用6个算例进行屋顶材料的敏感性实验：1）控制算例CTRL，即普通水泥屋顶；2）AA为铺设铝箔自粘SBS沥青防水卷材（铝箔沥青膜）的屋顶（简称为AA是为了方便下文图表中的标注，并不是材料所规定的缩写）；3）TPO为铺设白色TPO自粘单层膜（TPO膜）的屋顶；4）SP05和5）SP1分别为在屋顶铺设50%和100%面积的转化效率为14%的太阳能板（市面较普遍的太阳能板转化效率为 14%）（尚华和王惠荣, 2010）；6）SM为随机玻璃—聚合物混合超材料屋顶。算例中白色TPO自粘单层膜（TPO膜）和铝箔自粘SBS沥青防水卷材（铝箔沥青膜）均是冷却屋顶中寿命较长的膜材料。本研究中涉及的建筑参数设置为：楼高20 m，建筑占比0.58，峡谷纵横比为20/16，主干道与南北轴夹角为170°。将路面、屋顶及墙面的热传导系数均设置为 2.5 W m−1K−1，热容则分别设置为 2.01×10−6J m−3K−1、2.51×10−6J m−3K−1和 2.01×10−6J m−3K−1。另外，本研究将空调目标温度设置为298 K，空调冷却效率（COP）设置为4.5，以便进一步探究空调制冷能耗。不同材料的屋顶参数设置参见表2。其中铝箔沥青膜及TPO膜相关参数为屋顶铺设实际材料后实验测得，随机玻璃—聚合物混合超材料参数参考Zhai et al.（2017）的研究，其他一些物理参数的选取参考何晓凤等（2009）和 Xu et al.（2018）的工作。

3 模拟结果验证

2017年7月南京出现了连续两周的高温热浪现象（2017年 7月 16日 00:00至 30日 00:00）。如图3所示，该时期南京地区主要受西太平洋副热带高压影响，持续两周高温且无降水。这是由于副热带高压内部存在下沉气流，风力微弱，太阳辐射更容易影响地表，易出现高温少雨情况。因此本文选取该时间段内进行模拟结果的验证。

天气模式常采用气温进行模拟结果验证。本研究采用的是一个离线城市冠层模式，气温非TEB模式默认输出变量。因此本文选取了屋顶表面温度这一模式默认输出变量以及净短波、净长波和净辐射这三个具有代表性的辐射分量进行模拟结果验证。图4为由高温热浪时期（2017年7月17～30日）观测和模拟所得净短波、净长波、净辐射建筑物屋顶表面温度每小时日均误差图及相对误差图组成，其中阴影及误差棒两端分别为观测和模拟的标准差。

从观测和模拟结果的误差棒和误差阴影可知模拟值与观测值比较吻合，这两周每天同一小时的净短波、净长波、净辐射及屋顶表面温度的模拟值与观测值波动大小也相当一致。从观测和模拟结果的平均线看一致性较高，相关系数分别为0.95、0.97、0.99和0.98。3个辐射项观测值与模拟值差异均小于40 W m−2，表面温度观测与模拟最大差值小于3 K。从相对误差来看早晚日出日落时模拟可能有些延迟，但总体都较小，说明模拟效果较好。正午时观测结果略高于模拟值，原因可能是夏季长期晴天高温，白天到达冠层净辐射量值较大。屋顶表面温度午后模拟值会略高于观测值，差值平均在0.8 K左右，可能是由于净长波模拟偏小，且TEB中模拟会由于屋顶材质的不同储热不同导致模拟出的屋顶表面温度较大（Dominguez et al., 2011）。

表2 高温热浪时期（2017年7月16～30日）不同冷却屋顶与普通水泥屋顶的模拟算例及屋顶参数设置Table 2 Simulation examples and roof parameters setting of different cooling roofs and a cement roof from 16−30 Jul 2017

4 模拟结果分析

为了研究铺设不同冷却屋顶材料对屋顶表面热通量及夏季高温热浪时期空调制冷能耗的影响。本文选择了4种不同冷却屋顶材料进行不同材料参数的敏感性分析。

4.1 四种冷却屋顶对屋顶表面温度的影响

TEB模式设置街渠中有3种表面：屋顶、路面和墙面，分别在这三种面上建立几何特征的能量平衡关系，算出每个面与临近大气间的热通量交换，再依照每种表面占街渠单元的面积权重换算出总的热通量交换。

使用不同冷却屋顶材料后建筑物屋顶和普通屋顶（控制算例）在2017年7月16～30日表面温度日小时变化如图5a所示，图5b为使用冷却屋顶材料后屋顶表面可降低的温度。从图可看出白天降温效果明显优于夜间，12:00至14:00是一天中各种屋顶表面温度最高的时候。在这段时间内，各种冷却屋顶材料可达到一天中最大降温效果，使屋顶表面温度降到最低。其中铺设100%面积的太阳能板降温效果最好，平均降温13 K。铺设超材料降温效果仅次于100%面积的太阳能板，平均降温可达12.34 K。铺设铝箔沥青膜、50%面积的太阳能板和白色TPO膜在高温热浪时期则分别平均可降低 8.8 K、6.49 K 和 3.52 K。

根据图5b中降温情况可知铺设冷却屋顶材料在白天夜晚均可降温，其降温效果在白天（06:00至18:00）与夜晚（19:00至次日06:00）的具体体现见图6。其中，白天降温效果较好。铺设随机玻璃—聚合物混合超材料的屋顶会使得白天屋顶表面温度平均降低18.59 K，至多可降低31.85 K；铺设100%面积的太阳能板则会使白天屋顶表面平均降温达19.58 K，至多可降低33.57 K；其次是铝箔沥青膜、50%面积的太阳能板和白色TPO膜，分别至多可降温 23 K、16.48 K 和 9.15 K。夜间这几种冷却屋顶材料也有一定的降温效果。夜间超材料屋顶可平均降温4.28 K，100%面积的太阳能板降温可达4.53 K，其他几种材料也有平均1.08～2.77 K的降温效果。

图3 2017年7月（a）16日、（b）23日、（c）25日及（d）30日00:00的高空500 hPa天气图（等值线为位势高度，单位：gpm）Fig. 3 Synoptic chart of 500 hPa at 0000 LST on (a) 16 Jul, (b) 23 Jul, (c) 25 Jul, and (d) 30 Jul 2017 (contour lines represent geopotential height,units: gpm)

图4 2017 年 7 月 16～30 日（a1、a2）净短波辐射、（b1、b2）净长波辐射、（c1、c2）净辐射、（d1、d2）屋顶表面温度模拟值与观测值（a1、b1、c1、d1）平均误差及（a2、b2、c2、d2）相对误差（红色实线为每时刻观测值日均值，阴影是每时刻观测值日均标准差，黑色实线为每时刻模拟日均值，误差棒两端为每时刻模拟值日均标准差）Fig. 4 (a1, b1, c1, d1) Average errors and (a2, b2, c2, d2) relative errors of (a1, a2) net shortwave radiation absorbed by roofs, (b1, b2) net longwave radiation absorbed by roofs, (c1, c2) net radiation, and (d1, d2) roof surface temperature during 16−30 Jul 2017. Red line is the mean value of observed values at each moment and black line is the simulated values mean of each moment, standard deviations are represented by a gray shaded area and error bars for the experiment’s simulation period

超材料屋顶在模拟期间比其他两种高反照率屋顶平均多降温2.04～4.65 K，是降温效果较好的一种材料。这是由于模拟算例中对于高反照率冷却屋顶材料设置的反照率较大，尤其是随机玻璃—聚合物混合超材料屋顶将96%的太阳短波辐射返回大气，自身红外发射率为0.93，减少了大量到达地面的太阳短波辐射，从而降低了城镇表面温度。太阳能板理论上来说反照率低，表温应该较高，但实际计算出来的温度却降到一个很理想的状态，应该是由于模式中设置太阳能板摆放设置是倾斜的，直接在屋顶表面创造出阴影使得屋顶接收的入射短波辐射减少，从而达到降温的效果。在Dominguez et al.（2011）的研究中证实倾斜光伏板在屋顶形成阴影，温度显著小于裸露的屋顶，太阳能板下方热量还可通过空气对流移除，且铺设面积越大降温越好，至多可比其他的冷却屋顶材料多1.72～24.42 K，他们的研究结论与本文相近。

4.2 四种冷却屋顶的辐射热特性差异

屋顶表面温度的变化，是由于热量的传递导致。图7和图8分别为铺设各类冷却屋顶材料后与普通屋顶感热通量和净辐射差值的小时日均变化情况。对比可知，4种冷却屋顶的感热通量与净辐射差值均具有典型的低谷型日变化特征，变化趋势一致，夜间差值较小，日最大感热通量出现在13:00左右，即感热通量全天向上输送。与普通屋顶相比，铺设随机玻璃—聚合物混合超材料和100%面积太阳能板的感热通量分别平均降低 122.82 W m−2、129.69 W m−2，铝箔沥青膜可降低86.03 W m−2，50%面积的太阳能板平均也可降低 62.82 W m−2。

图5 （a）高温热浪时期（2017年7月16～30日）不同冷却屋顶材料表面温度；（b）铺设不同冷却屋顶材料后与普通水泥屋顶相比，可降低的屋顶表面温度小时平均Fig. 5 Ensemble average daily cycle of different cooling roof materials’ surface temperature; (b) Degrees of temperature reduction for various materials from 16–30 Jul 2017

图6 高温热浪时期（2017年7月16～30日）4种冷却屋顶材料的屋顶表面温度在白天（06:00至18:00）与夜晚（19:00至次日06:00）的降温情况Fig. 6 Boxplot of the degrees of temperature reduction for various materials during the day (0600 LST–1800 LST) and at night (1900 LST–0600 LST), respectively, during 16–30 Jul 2017

各种冷却屋顶能减少净辐射的能力与感热通量一致。铺设随机玻璃—聚合物混合超材料和100%面积的太阳能板可降低的净辐射最多，在高温热浪的两周时间里分别至多降低547.63 W m−2和 516.72 W m−2（表 3）；铺设铝箔沥青膜和 50%面积的太阳能板可降低的净辐射次于前两种材料，至多可降低 417.53 W m−2和 297.87 W m−2；白色TPO膜至多也可降低 168.47 W m−2，但相较其他几种冷却屋顶效果一般。表3中还总结了高温热浪时期（2017年7月16～30日）各种冷却屋顶与普通屋顶相比屋顶表面温度、感热通量、潜热通量、净辐射平均和最多降低程度。

表3 高温热浪时期（2017年7月16～30日）不同冷却屋顶与普通水泥屋顶各热辐射分量平均差值及最大差值Table 3 The average difference and the maximum difference of thermal radiation components between different cooling roofs and a cement roof during 16–30 Jul 2017

图7 铺设不同材料屋顶在高温热浪时期（2017年7月16～30日）屋顶感热通量差值小时日均变化Fig. 7 Ensemble average daily cycle of sensible heat of different cooling roof materials during 16–30 Jul 2017

图8 同图 7，但为净辐射差值小时日均变化Fig. 8 Same as Fig.7, but for average daily cycle of net radiation of different cooling roof materials

图9 不同材料屋顶在高温热浪时期（2017年7月16～30日）建筑物每平米所需冷却能源消耗（实线）及铺设冷却屋顶后每平米可减少的冷却能源消耗小时平均值（虚线）Fig. 9 Energy consumption per square meter of buildings with different roof materials (solid lines) and the daily average hourly cooling energy consumption that can be reduced per square meter after the cooling roof is laid (dotted lines) during the heatwave of 16–30 Jul 2017

综上可知，高反照率材料通过将太阳短波辐射反射回大气层，并将自身热量以红外形式发射出去，即反照率的增大会减少每个面吸收的净短波辐射，导致感热通量减少，净辐射减少。从而降低了表面温度，减弱了建筑物对冠层内大气的感热交换，使得屋顶表面温度降低；太阳能屋顶尽管反照率低，但由于倾斜摆放减少了屋顶表面接收的太阳短波以及自身将太阳短波转化为电能的原因也可以降低大量感热及净辐射等，减少建筑物储热，从而减少释放的热量，使表温降低。

4.3 四种冷却屋顶对能源需求的影响

高反射率材料增加建筑物表面反照率，减少建筑物的储热，从而达到节约冷却能源需求。而太阳能板则是通过吸收太阳短波来发电，减少了建筑物吸收的短波辐射，还能直接生产电量来缓解冷却能源需求。图9是不同材料屋顶在高温热浪期间的冷却系统耗能情况（左轴）以及使用冷却屋顶后可以节省的冷却能耗（右轴）。图中能耗表现为锯齿状，是由于空调工作达到预设室内温度后会进入休息阶段，14:00是一天最热的时候，达到预设值所需冷却能源消耗也是最多的。

从图中可以看出所有屋顶耗能趋势一致，各材料正午可降低的空调冷却能耗比早晚略低。其中在屋顶铺设超材料屋顶以及100%面积的太阳能板可以使建筑物冷却能耗降到最低，分别至多可降低2.1 W m−2和 2.16 W m−2；使用铝箔沥青膜效果次之，至多降低1.47 W m−2；50%铺设面积的太阳能屋顶及TPO膜再次。与第一部分中各种冷却屋顶材料可降低的屋顶表面温度相比，理论上可节省更多的冷却能耗，但实际模拟出来节省的能源却很少，可能是由于模式中设置屋顶为5层，热量层层递减，因此室内初始温度并没有预想的高。

Salamanca et al.（2016）在研究中证实铺设 100%面积太阳能光伏板在夏季至多可减少2 MW km−2（即2 W m−2）冷却能源，与本文模拟结果相似。除此之外，使用太阳能光伏板还可以利用吸收的太阳短波转化成电量。这里选用的14%转化效率的太阳能板1 m2发电量日均小时变化如图10所示。其中电量度数千瓦时（度）计算方法（密保秀等,2008）如下：

1 h产生电量=太阳能板转化效率×1 h内接收太阳短波/1000,

图10 转化效率为14%的太阳能板在高温热浪时期（2017年7月16～30日）)发电量Fig. 10 Daily power generation of a solar panel with a conversion efficiency of 14% during the heatwave of 16–30 Jul 2017

其中太阳短波为所选高温热浪时期（2017年7月16～30日）屋顶所接收的太阳短波（单位：W m−2）。

从图10中看出在11:00左右太阳能板转化电量最多，每平方米可发电0.23 kW h，累计整日每平米可发电1.84 kW h。按照图9中左轴展示的普通屋顶控制算例，在高温热浪时期累计整日每平米需要消耗1.76 kW h的冷却能源，因此铺设100%屋顶面积14%转化效率的太阳能板同期产生的额外发电量，可完全抵消这两周全部空调制冷能耗。

因此太阳能板较其他冷却屋顶材料而言可以节省更多的建筑能源，从而可节省更多的电费。但由于太阳能光伏板的造价较其他冷却屋顶材料昂贵，因而生活中使用何种冷却屋顶材料还需结合经济效益等具体分析。

5 结论

本研究采用了城镇能量平衡模型（TEB），探讨了两种铺设面积的太阳能屋顶和3种高反照率屋顶铝箔沥青膜、白色TPO膜和科罗拉多大学新研发的玻璃聚合物混合超材料屋顶在南京高温热浪时期（2017年7月16～30日）对城市热环境以及冷却能源需求的影响。得到如下初步结论：

（1）在持续高温的天气背景下，不同冷却屋顶材料降温效果不同。在屋顶铺设超材料和100%覆盖面积的太阳能板降温效果最好，屋顶表面温度白天至多分别可降低31.85 K和33.57 K；铝箔沥青膜效果次之，最多降低23 K；50%覆盖面积的太阳能板和TPO膜再次，最大降低16.48 K和9.15 K。各冷却屋顶材料夜间也平均有1.08～4.53 K的降温。

（2）铺设冷却屋顶材料使辐射量发生一定变化。相对普通屋顶来说，铺设冷却屋顶材料可使屋顶感热平均降低 34.42～129.69 W m−2，使潜热通量降低 1.81～3.71 W m−2，净辐射降低 36.84～138.68 W m−2。两种不同铺设面积的太阳能屋顶尽管反照率低，相较3种高反照率膜材料感热、潜热和净辐射也略高，但由于自身将太阳短波转化为电能的原因，减少建筑物储热，从而减少了入射的太阳短波，减少了释放到大气中的热量。

（3）铺设冷却屋顶材料可以直接或间接地减少冷却能源需求。铺设超材料屋顶以及铺设100%面积的太阳能板可以使建筑物冷却能耗降到最低，分别至多可降低 2.1 W m−2和 2.16 W m−2；使用铝箔沥青膜效果次之，至多降低1.47 W m−2；50%铺设面积的太阳能屋顶及TPO膜再次。其中所选太阳能光伏板每平方米可发电0.23 kW h，累计整日每平米可发电1.84 kW h，可全部抵消同期空调系统制冷能耗。

本文研究发现铺设冷却屋顶材料可以有效降低城镇在高温热浪时期的屋顶表面温度，主要是随机玻璃—聚合物混合超材料和在屋顶铺设100%覆盖面积的太阳能板效果最好。使用城镇能量平衡模型（TEB）进行模拟得到可以节约的冷却能源需求，尤其是所选太阳能板可产生相当可观的电量，但这样的结果是建立在假设建筑物屋顶上100%覆盖太阳能板的理想情况下，这一假设在实际安装上难度较大。在未来的研究中，需要采用与实际情况相符的冷却屋顶参数化方案，并作更长时间的模拟分析，从而更好地为缓解城市夏季高温提供有效的数据支持。